Справочник по композиционным материалам

Композиционные материалы на основе УВ и органического связующего

Выше были подробно обсуждены все преимущества углеродных волокон. Этот параграф посвящен описанию основных областей применения композиционных материалов на основе УВ и органи­ческих связующих. Матрицей, связывающей армирующие компо­ненты, могут быть металлы, керамика или органические связую­щие. Здесь будут обсуждаться только последние.

В КВМ на основе УВ и органических связующих механические свойства волокна определяют высокие прочностные характери­стики КВМ и его модуль упругости, а связующее обеспечивает такие свойства, как коррозионную стойкость и высокую ударную вязкость. Наряду с эпоксидными связующими в настоящее время используются полиэфирные, полисульфоновые, полиимидные и различные другие связующие на основе термопластов. Ниже будут рассмотрены физико-механические свойства углепластиков, их устойчивость к внешним воздействиям и усталостные свойства.

Одним из основных преимуществ углепластиков является их очень высокая удельная прочность и удельный модуль упругости (рис. 11.40) [287]. Именно благодаря таким свойствам углепла­стики успешно заменили металлы там, где необходимо снижение массы (самолетостроение, создание транспортных средств). В табл. 11.7 приведены физико-механические свойства средне - и высокомодульных углепластиков с эпоксидным связующим.

Рис. 11.40. Сравнение удельного предела прочности ав/р (1) и модуля упругости Е/р (І) при растяжении наиболее распростра­ненных конструкционных материалов: А — сталь (5Л£ 980); Б — алюминий (7046-74); В — эпоксистеклопластик (S-стек - ло); Г, Д — углепластики на основе эпоксид­ного связующего соответственно типа Лв и типа HMS; 3 — при ориентации волокои под углами 0, 90, =ь,45°; 4 — 0°

Рис. 11.41. Модуль упругости Е (а) и пре­дел прочности ав (б) при растяжении вы­сокопрочного эпоксиуглепластика (УВ - целион) при комнатной температуре в за­висимости от доли однонаправленных сло­ев (А) и с ориентацией волокон под углом ±45° (В)

О 20 Я7 60 SO А,% О 20 0 ВО 80 В,%

А) б)

Их прочность и жесткость зависят от ориентации исходного во­локнистого материала [288]. На рис. 11.41, а и б показана типич­ная картина компьютерного проектирования структуры мате­риала для нахождения оптимальной по модулю упругости и пре­делу прочности структуры [288].

11.7.1. Устойчивость к внешним воздействиям

Влияние таких внешних условий, как температура и влаж­ность окружающей среды, хорошо изучено для углепластиков [289, 290]. Дальнейшее описание воздействия этих факторов про­ведено в соответствии с действующими стандартами ASTM [289].

11.7.1.1. Действие температуры

В связи с тем что механические свойства углепластиков на основе эпоксидных смол как целого определяются свойствами связующих, их теплостойкость ограничена пределом температур 150... 200 °С [241, 242]. Температура стеклования Тс эпоксид - 298

S3 о

9 (% 09) g ІгифвхсЗоф

.(% 09) £ ІГифеїйОф

«Очо К О в4

I (% 39) SWH

« (% 39) SK

. (% 39) Dа 0LAO

-..(% 39) 0009 аоиігзо

Я І1 X о, к

S а к

W в

« 5

£§5

< ч

TOC o "1-3" h z ш &

О в

И 2

Я tf

0 2

Е - В

У СО

Ьч 0

о

CSJ ^ <N _г<м (N

О о СО

СОщ

' со о

23

<N О со t-

I <N 00 I

А> є>со о

00 О)

Їм «З

Ных смол, в зависимости от особенностей строения и температура отверждения, лежит обычно в пределах 125 ... 175 °С. Для увели­чения То связующего, необходимо использовать другие смолы 1291, 293, 294]. На рис. 11.42 представлены данные о температур­ной зависимости предела прочности углепластика при изгибе при использовании фенольного или полиимидного связующего [291]. В интервале — 54 ... +149 °С при действии циклических темпера­турных воздействий механические свойства композита HTS-

Епон 828 зависят от числа циклов, содержания во­локна и остаточных напря­жений в композите [295]. В работе [296 ] хорошо по­казано, что усталостные свойства типов I и Пшпри температурах —40 ... -+- + 120 °G определяются видом волокна, его ори­ентацией, методом полу­чения композита и уров­нем динамических напря­жений. Самакорт [297] установил, что в резуль­тате термических много­цикловых нагрузок в ин­тервале —195 ... + ЮО °С в УВ-эпоксикомпозите воз­растает число микротре­щин.

При повышенных температурах стабильность УВ и связующих к окислению начинает играть большую роль [298, 299]. Мак-Ма - гон [298 ] обнаружил корреляцию между следами металлов в УВ и их термостабильностью на воздухе. Наиболее распространенные среднемодульные УВ на основе ПАН {АС и Г300), содержащие щелочные металлы, оказываются существенно менее термоста­бильны, нежели «Селион» (фирма «Селаниз»), а также высокомо­дульные УВ из ПАН и пека. Последние выдерживали термо­окислительные условия при 482 °С в течение 1000 ч. В последнее время были опубликованы результаты исследования термоокис­лительной стабильности КВМ на основе средне - и высокомодуль­ных УВ и различных органических связующих [300]. Динамиче­ские и изотермические свойства КВМ сведены в табл. 11.8 и 11.9. Термостабильность композитов убывает в следующей по­следовательности: полифенилхиноксалин > полиимид > эпок - сиды. В последние годы часто начинают использовать термопласты (например, полиэфирсульфон), термоокислительная стабиль­ность которых оказывается на уровне полиимидов и полифенил - хиноксалинов 1301 ]. 300